Thị trấn Thới Lai được thành lập vào ngày 4 tháng 8 năm 2000 trên cơ sở 946,51 ha diện tích tự nhiên và 10.183 người của xã Thới Lai (nay là xã Thới Tân)[1]. Khi mới thành lập, thị trấn trực thuộc huyện Ô Môn, tỉnh Cần Thơ cũ.

Ngày 26 tháng 11 năm 2003, Quốc hội ban hành Nghị quyết số 22/2003/QH11 chia tỉnh Cần Thơ cũ thành thành phố Cần Thơ thuộc trung ương và tỉnh Hậu Giang[4], huyện Ô Môn thuộc thành phố Cần Thơ. Ngày 2 tháng 1 năm 2004, huyện Ô Môn giải thể để thành lập quận Ô Môn và huyện Cờ Đỏ[5], thị trấn Thới Lai trở thành huyện lỵ huyện Cờ Đỏ.

Ngày 23 tháng 12 năm 2008, huyện Thới Lai được thành lập trên cơ sở tách thị trấn Thới Lai và các xã phía nam của huyện Cờ Đỏ[6], thị trấn Thới Lai là huyện lỵ của huyện Thới Lai như hiện nay.